基于FMI的多物理系統(tǒng)仿真研究與應(yīng)用

呂文軍

目前系統(tǒng)仿真工具眾多，但由于商業(yè)利益等因素，工具之間的接口并不完善，不同平臺(tái)軟件建立的模型無(wú)法有效轉(zhuǎn)換到其他平臺(tái)軟件進(jìn)行重用，造成同類型不同工具的重復(fù)采購(gòu)和模型的重復(fù)開(kāi)發(fā)，耗費(fèi)大量的人力和科研經(jīng)費(fèi)支出。為了解決此類問(wèn)題，歐洲仿真界提出了標(biāo)準(zhǔn)接口模型數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，即FMI（Functional Mock-up Interface）功能模型接口標(biāo)準(zhǔn)。

FMI標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)不依賴于工具的標(biāo)準(zhǔn)，其通過(guò)XML文件和已編譯的C代碼的組合形成的FMU（Functional Mock-up Unit）文件來(lái)同時(shí)支持動(dòng)態(tài)模型的模型交換和聯(lián)合仿真。2014年，由Modelica協(xié)會(huì)制定的FMl2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，越來(lái)越多的公司、研究所和高等院校使用或宣布支持FMI標(biāo)準(zhǔn)。至2016年6月，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全球公認(rèn)的功能和性能模型重用的接口標(biāo)準(zhǔn)。

一、基于FMI的多物理系統(tǒng)仿真的工程價(jià)值

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的手段也逐漸豐富和完善，其中仿真技術(shù)越來(lái)越受到重視，在航空、航天、汽車、船舶和核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了貫穿V流程全生命周期的分析手段，由于其分析方便、快捷，并可作為實(shí)物試驗(yàn)有效的補(bǔ)充手段，在仿真可信度較高的情況下，可有效降低實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)，進(jìn)而節(jié)約成本、提高效率。仿真技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中為打破平臺(tái)軟件對(duì)模型的壟斷和重復(fù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)集成商有效的系統(tǒng)集成驗(yàn)證，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)提供了較為理想的解決方案，如圖1所示。

FMI標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用解決了仿真工作開(kāi)展過(guò)程中的以下問(wèn)題：

解決了不同仿真工具之間的接口不能普遍兼容而導(dǎo)致的仿真工具碎片化的問(wèn)題，避免了模型在不同仿真軟件中的重復(fù)建設(shè)難題。

仿真分析工作從V流程的前端到后端無(wú)需切換不同的軟件平臺(tái)和投入過(guò)多的精力開(kāi)發(fā)聯(lián)合仿真軟件接口，在整個(gè)研制V流程中模型的通用性、一致性得到保證。

解決了復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)單位為提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，期望能在設(shè)計(jì)初期對(duì)需求進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，以及集成商和供應(yīng)商模型傳遞方法與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的難題。

二、基于FMI的聯(lián)合仿真研究和開(kāi)發(fā)

Co-Simulation意為聯(lián)合仿真方法，即在同一仿真環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)模型集成和聯(lián)合仿真。此方法導(dǎo)出的FMU模型自帶求解器，通過(guò)聯(lián)合仿真方法實(shí)現(xiàn)主控（Master）軟件下不同模型的集成。主控軟件實(shí)現(xiàn)仿真進(jìn)度的總體推進(jìn)和從屬FMU的綜合調(diào)度，被集成的模型來(lái)自于不同的從屬（Slave）軟件導(dǎo)出的帶求解器的FMU模型，如圖2所示。

根據(jù)FMI標(biāo)準(zhǔn)的Co-Simulation方法，信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼研發(fā)了聯(lián)合仿真機(jī)制的數(shù)字化模型集成仿真工具軟件，如圖3所示。

開(kāi)發(fā)工具軟件突破了FMI標(biāo)準(zhǔn)Co-Simulation方法的軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)制問(wèn)題，尤其解決了FMU文件解析、多FMU調(diào)度求解算法、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和顯示問(wèn)題。

FMI聯(lián)合仿真研究和開(kāi)發(fā)形成的仿真集成工具軟件包括的功能如下：

FMU文件解析和模型管理功能。

FMU提取和設(shè)置功能。

可視化拖拽建模功能。

結(jié)果曲線多樣化顯示功能。

仿真日志記錄和界面操作提示功能。

三、基于FMI的多物理系統(tǒng)仿真研究進(jìn)展

自2014年FMI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布2.0版本后，獲得了仿真界的大力支持，工具供應(yīng)商和工程用戶皆投入較多的資源開(kāi)發(fā)和完善FMI標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)也有部分高校和企業(yè)初步嘗試FMI標(biāo)準(zhǔn)的研究，但是未形成可用于商業(yè)使用的成熟工具軟件。信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）研究和開(kāi)發(fā)工作初步完成了基于FMI的系統(tǒng)聯(lián)合仿真底層機(jī)制研究與仿真集成工具軟件開(kāi)發(fā)方法，已經(jīng)邁出了第一步。未來(lái)將通過(guò)持續(xù)而深入的研究，進(jìn)一步完善軟件功能和成熟度，并與航空產(chǎn)品研發(fā)相結(jié)合，通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)軟件、通過(guò)軟件提升設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主可控的大規(guī)模多來(lái)源模型集成仿真核心軟件。

四、研究與應(yīng)用推進(jìn)建議

FMI作為功能和性能模型的重用、互換和集成的接口標(biāo)準(zhǔn)，解決了工具碎片化導(dǎo)致的各種問(wèn)題。用戶只需遵循FMI標(biāo)準(zhǔn)即可比較便捷地完成模型集成和重用。但是，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)僅提供了完成模型重用和互換的技術(shù)方案，對(duì)于希望重用的模型是什么、符合什么標(biāo)準(zhǔn)的模型可以重用、集成協(xié)作流程、組織和制度保證等問(wèn)題并沒(méi)有解決，所以建議在推廣應(yīng)用FMI標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能根據(jù)實(shí)際工程需要，探索并完善符合各廠所或行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和流程等內(nèi)容。